(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の感光性領域を有する基板と、
前記基板上に形成され、第１光透過特性を有する第１部分と、前記第１光透過特性よりも透明な第２光透過特性を有する第２部分を備える単一層の透明層と、
前記透明層上に形成され、前記感光性領域にまたがるように位置決めされ、複数の開口が中に形成され、前記開口は前記第２部分と位置合わせされた、遮光シールドと、
複数のマイクロレンズであって、各マイクロレンズを通って入射する光の焦点が、各マイクロレンズの周辺部上へ誘導された前記入射光の一部分が遮光シールドによって阻止される点まで前記基板内へ実質上延びるように、それぞれ前記開口の１つの上で中心に配置される、複数のマイクロレンズと、
を備え、フルフレーム電荷結合素子とフレーム転送形電荷結合素子のいずれかであることを特徴とする画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マイクロレンズを有する画像センサに関し、より詳細には、入射光を基板内深くに集束させ、その効果は大きな入射光角度で感度を維持することであるマイクロレンズを有するそのような画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１および２を参照すると、画像センサ１０は基板１５を含み、基板１５内には画素アレイ２０が存在し、各画素３０は感光性である。図２だけを次に参照すると、画素３０のアーキテクチャに応じて、画素３０のいくつかの領域を意図的に光から遮蔽して、隣接する画素３０間の光の分離を改善することができる。場合によっては、制御線など画素３０を動作させるために使用される材料のタイプの結果として、この光が誤って阻止される。たとえば、インターラインＣＣＤおよびＣＭＯＳ画像センサでは、画素３０は、画素領域の一部分を画像の読出し専用にし、別の部分は次の画像を取り込む。このタイプの画素では、読出し領域を光から遮蔽する必要がある。
【０００３】
これらのすべての場合、画素３０は、どこで光が画素３０に入れるかを制限する遮光シールド４０を含む。しかし、これは、画素３０によって感知できる光の量を低減させ、それによって画像センサ１０の全体的な感度を低減させ、最終的には画像センサ１０が含まれるカメラの感度を低減させるため、望ましくない。感光領域と画素領域の比は一般に、光学的フィルファクタと呼ばれ、また遮光シールド４０が存在しない領域は、画素開口５０と呼ばれる。画素開口５０は通常、均一の画像サンプリングを維持するように等間隔で隔置される。
【０００４】
遮光シールド４０による感度の損失を克服するために、各画素３０を覆ってマイクロレンズ６０を組み込むことが一般化しており、またマイクロレンズ６０は、開口５０上で中心に置かれる。普通なら遮光シールド４０によって阻止または反射されている可能性のある光は、マイクロレンズ６０によって開口５０を通るように再誘導され、画素３０によって感知され、それによって感度を増大させる。図３を参照すると、フルフレームまたはフレーム転送タイプのＣＣＤ画像センサ１０の特別な場合、画素３０は、一方が他方より透明な２つの異なるタイプの光学材料を通して光を感知することに留意されたい。たとえば、ポリシリコン材料７０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）材料８０より少ない光を透過する。
【０００５】
図４を参照すると、この場合、マイクロレンズ６０および修正された遮光シールド４０を使用して、より透明な材料、ＩＴＯ８０を通るように光を誘導し、その結果、感度を全体的に向上させることができる。カラー画像センサの場合、１つの材料タイプだけを通るようにすべての光を再誘導することには、アレイ全体にわたって色相シフトを低減させるという追加の利益がある。この効果は、入射光角度がアレイ全体にわたって変動するとき最も明らかであり、これは各材料のスペクトル（波長）応答の変動によるものである。
【０００６】
図５を参照すると、現在知られている画像センサ１０は満足のいくものであるが、カメラレンズを導入するときによくあるように、入射光がマイクロレンズ６０と角度（θ）で交差するとき、焦点は、開口５０の中心からシフトする。
【０００７】
図６を参照すると、入射光線の角度が十分に大きい場合、焦点は、遮光シールド４０によって光の一部が阻止されるのに十分なほど開口５０の中心から遠くにシフトし、その結果、吸収または反射の損失が生じる。したがって、主に光の角度が最大になる画素アレイ２０（図１参照）の縁部で、大きな、かつ場合によっては突然の感度の低減が見られる。図７を参照すると、入射光角度に対する感度の依存性は一般に、アレイの「角度応答」と呼ばれる。
【０００８】
図８を参照すると、この問題を克服して角度応答を延ばすために、１つの慣習は、開口５０の中心に対してマイクロレンズ６０の位置を徐々に変動させることである。この慣習では、アレイ２０（図１参照）の中心に位置する画素３０の場合、マイクロレンズ６０は開口５０上で中心に置かれ、またアレイ２０の中心から離れた画素位置では、マイクロレンズ６０は、アレイ２０の中心の方へ開口部５０上でシフトされる。画素３０が中心から遠ければ遠いほど、オフセットがより大きくなる。全体的なオフセットは、使用されるカメラレンズの特性に基づいて決定される。したがって、この方法は、固定のレンズシステムの場合には最もよく機能するが、角度応答が改善される程度はやはり限られる。
【０００９】
中判および大判の写真技術で使用されるシフトおよびチルト（ビュー）カメラの例では、入射光角度は、オフセットマイクロレンズ構成で対応できるものよりはるかに大きく（４０度より大きく）なることがある。さらに、光はセンサ１０を常に従来通り交差するわけではない。たとえば、あらゆる画素位置での入射光角度が、あるカメラ撮影に対してはある単一の方向であり、次のカメラ撮影では正反対になる可能性がある。この環境では、すべての可能なカメラ画像に対応するには、マイクロレンズを常に遮光シールド開口上の中心に位置決めする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，１６４，８３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、開口上の中心に置かれ、入来する入射光の大きな角度に対応できるマイクロレンズを有することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、複数の感光性領域を有する基板と、前記基板上に形成され、第１光透過特性を有する第１部分と、前記第１光透過特性よりも透明な第２光透過特性を有する第２部分を備える単一層の透明層と、前記透明層上に形成され、前記感光性領域にまたがるように位置決めされ、複数の開口が中に形成され、前記開口は前記第２部分と位置合わせされた、遮光シールドと、複数のマイクロレンズであって、各マイクロレンズを通って入射する光の焦点が、各マイクロレンズの周辺部上へ誘導された前記入射光の一部分が遮光シールドによって阻止される点まで前記基板内へ実質上延びるように、それぞれ前記開口の１つの上で中心に配置される、複数のマイクロレンズと、を備え、フルフレーム電荷結合素子とフレーム転送形電荷結合素子のいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明には、大きな角度の入射光が必要とされるときに画素の感度を均衡させるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】先行技術の画像センサの上面図である。
【図２】遮光シールドおよびマイクロレンズの適用例を示す先行技術の画像センサの側面図である。
【図３】異なる光透過特性を有する２つの材料（透明層）の適用例を示す先行技術の画像センサの側面図である。
【図４】マイクロレンズ、遮光シールド、および透明層の適用例を示す先行技術の画像センサの側面図である。
【図５】入来する光の入射角の効果を示す先行技術の画像センサの側面図である。
【図６】入来する光の大きな入射角の効果を示す先行技術の画像センサの側面図である。
【図７】応答と入射光角度の関係を示すグラフである。
【図８】マイクロレンズの位置を変動させる適用例を示す先行技術の画像センサの図である。
【図９】本発明の画像センサの上面図である。
【図１０】本発明の画像センサの側面図である。
【図１１】本発明の代替実施形態の側面図である。
【図１２】大きな入射角の効果を示す本発明の画像センサの側面図である。
【図１３】応答と入射光角度の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の画像センサを使用する撮像システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図９を参照すると、２次元画素アレイ９０の形で構成された複数の画素８５を有する本発明の画像センサ７５を示すが、１次元のアレイを使用することもできる。画像センサ７０は通常、フルフレーム電荷結合素子とフレーム転送形電荷結合素子のいずれかである。図１０を参照すると、本発明の画像センサ７０は基板１００を含み、基板１００内には複数の画素８５が位置決めされる。基板１００は、１つのタイプのドーピング（ｎ型とｐ型のいずれか）からなることも、様々な濃度の１つのドーピングのタイプ、またはｎ型とｐ型の組合せが存在する２つ以上のドーピングのタイプからなることもできることに留意されたい。透明層１１０は、基板にまたがり、かつ基板上に配置され、ポリシリコン部分１２０と、ポリシリコン部分１２０より透明なＩＴＯ部分１３０とを含む。複数の開口１５０を中に含む遮光シールド１４０が透明層１１０上に配置され、開口１５０はＩＴＯ部分１３０と位置合わせされ、ポリシリコン部分１２０は遮光シールド１４０と位置合わせされる。複数のマイクロレンズ１６０が画像センサ７０にまたがり、１つのマイクロレンズ１６０は、開口１５０、ＩＴＯ部分１３０を通って各画素内へ光を集束させるように、各画素にまたがって各画素を覆って中心に位置決めされる。マイクロレンズ１６０を用いると、あまり透明でないポリシリコン部分１２０から離れてより透明な部分１３０内へ光が再誘導され、その結果、感度が改善される。
【００１６】
マイクロレンズ１６０は、正常な入射光角度でも、入射光の焦点が、いくらかの感度が意図的に失われる点まで基板１００内深くに位置するように成形される（レンズの曲率の低減による）ことに留意されたい。したがって、正常な入射角では、光円錐の寸法は、開口部１５０を完全に満たす。言い換えれば、各マイクロレンズ１６０は、各マイクロレンズ１６０を通って入射する光の焦点が、各マイクロレンズ１６０の周辺部上へ誘導された入射光の一部分が遮光シールド１４０によって阻止される点まで基板１００内へ実質上延びるように、開口１５０の１つの上で中心に配置される。
【００１７】
一実施形態では、遮光シールド１４０がポリシリコン１２０を完全にまたは実質上覆い、またＩＴＯ１３０は完全に露出されることに留意することが有益である。図１１を参照すると、別の実施形態では、遮光シールドがＩＴＯ１３０の一部分にまたがり、ポリシリコン１２０に完全にまたがる。
【００１８】
図１０、１１、および１２を参照すると、入射光角度が増大するにつれて、遮光シールド１４０の１つの縁部で失われる追加の光の量は、反対側の縁部からの光の増大によってオフセットされる。最終結果では、角度応答の増大がいくらかの感度損失を犠牲にして実現されるが、極端な角度の場合を除いて、マイクロレンズが存在しなかった場合ほど大きな損失ではない。別の好ましい効果は、角度による感度損失は、従来のマイクロレンズより徐々に生じ、それほど問題ではないことである。
【００１９】
図１３を参照すると、本発明のセンサに対する応答と入射光角度の関係を示すグラフを示す。
【００２０】
図１４を参照すると、本発明による画像センサ７０とともに使用できる撮像システムのブロック図を示す。撮像システム１２００は、デジタルカメラ付き電話１２０２およびコンピューティングデバイス１２０４を含む。デジタルカメラ付き電話１２０２は、本発明を組み込む画像センサを使用できる画像取込みデバイスの一例である。たとえば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカムコーダなど、他のタイプの画像取込みデバイスを本発明とともに使用することもできる。
【００２１】
本発明による一実施形態では、デジタルカメラ付き電話１２０２は、可搬型、手持ち式の電池式デバイスである。デジタルカメラ付き電話１２０２はデジタル画像を生成し、これらのデジタル画像はメモリ１２０６内に記憶される。メモリ１２０６は、たとえば、内蔵フラッシュＥＰＲＯＭメモリまたは取り外し可能なメモリカードとすることができる。別法として、磁気ハードドライブ、磁気テープ、または光ディスクなどの他のタイプのデジタル画像の記憶媒体を使用して、メモリ１２０６を実施することもできる。
【００２２】
デジタルカメラ付き電話１２０２は、光学レンズ１２０８を使用して、情景（図示せず）からの光を画素センサ１２１２の画素アレイ９０上に集束させる。光学レンズ１２０８は、画像センサ７０に対してシフトおよびチルトさせることができる。本発明による一実施形態では、画素アレイ９０は、バイエルカラーフィルタパターンを使用してカラー画像情報を提供する。画素アレイ９０は、タイミング生成器１２１４によって制御される。タイミング生成器１２１４はまた、周囲の照明が暗いときに情景を照らすために、フラッシュ１２１６を制御する。
【００２３】
画素アレイ９０から出力されるアナログ出力信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器回路１２１８によって増幅されて、デジタルデータに変換される。このデジタルデータは、バッファメモリ１２２０内に記憶され、その後デジタル処理装置１２２２によって処理される。デジタル処理装置１２２２は、ファームウェアメモリ１２２４内に記憶されるファームウェアによって制御される。ファームウェアメモリ１２２４は、フラッシュＥＰＲＯＭメモリとすることができる。デジタル処理装置１２２２はリアルタイムクロック１２２６を含み、リアルタイムクロック１２２６は、デジタルカメラ付き電話１２０２およびデジタル処理装置１２２２が低電力状態であるときでも日時を維持する。処理されたデジタル画像ファイルは、メモリ１２０６内に記憶される。メモリ１２０６はまた、たとえば、音楽ファイル（たとえば、ＭＰ３ファイル）、呼出し音、電話番号、カレンダ、および予定事項リストなどの他のタイプのデータを記憶することもできる。
【００２４】
本発明による一実施形態では、デジタルカメラ付き電話１２０２は、静止画像を取り込む。デジタル処理装置１２２２は、描写されたｓＲＧＢ画像データを生成するために、色補間と、その後に続く色および階調補正を実行する。次いで、描写されたｓＲＧＢ画像データは、メモリ１２０６内で画像ファイルとして圧縮および記憶される。例示のみを目的として、画像データは、知られている「Ｅｘｉｆ」画像形式を使用するＪＰＥＧ形式に従って圧縮することができる。この形式は、様々なＴＩＦＦタグを使用して特定の画像メタデータを記憶するＥｘｉｆアプリケーションセグメントを含む。たとえば、別々のＴＩＦＦタグを使用して、画像が取り込まれた日時、レンズのｆ値、および他のカメラ設定を記憶し、そして画像キャプションを記憶することができる。
【００２５】
本発明による一実施形態では、デジタル処理装置１２２２は、ユーザによって選択される様々な画像サイズを生成する。１つのそのようなサイズは、低解像度の「サムネイル」サイズの画像である。サムネイルサイズの画像の生成は、クフタらの「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔｉｌｌ  Ｃａｍｅｒａ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉ−Ｆｏｒｍａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ｏｆ  Ｆｕｌｌ  ａｎｄ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｅｓ」という名称の同一出願人による米国特許第５，１６４，８３１号に記載されている。サムネイル画像は、ＲＡＭメモリ１２２８内に記憶され、カラーディスプレイ１２３０に供給される。カラーディスプレイ１２３０は、たとえば、アクティブマトリックスＬＣＤまたは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）とすることができる。サムネイルサイズの画像を生成すると、取り込んだ画像をカラーディスプレイ１２３０上で迅速に見ることができる。
【００２６】
本発明による別の実施形態では、デジタルカメラ付き電話１２０２はまた、ビデオクリップを生成および記憶する。ビデオクリップは、画像センサアレイ１０の複数の画素をまとめ合わせることによって生成される（たとえば、画像センサアレイ１０のそれぞれ４行×４列の領域内の同じ色の画素をまとめ合わせて、より低い解像度のビデオ画像フレームを作る。ビデオ画像フレームは、たとえば１秒当たり１５フレームの読出し速度を使用して、規則的な間隔で画素アレイ９０から読み取られる）。
【００２７】
デジタル処理装置１２２２に音声コーデック１２３２が接続され、マイクロフォン（Ｍｉｃ）１２３４からの音声信号を受け取る。音声コーデック１２３２はまた、スピーカ１２３６に音声信号を提供する。これらの構成要素は、電話で会話するためにも、ビデオシーケンスまたは静止画像とともに音声トラックを記録および再生するためにも使用される。
【００２８】
本発明による一実施形態では、スピーカ１２３６はまた、ユーザに電話の着信を知らせるために使用される。これは、ファームウェアメモリ１２２４内に記憶された標準的な呼出し音を使用して、または移動電話ネットワーク１２３８からダウンロードされてメモリ１２０６内に記憶された専用の呼出し音を使用して行うことができる。さらに、振動デバイス（図示せず）を使用して、電話の着信を静かに（たとえば、無音で）通知することができる。
【００２９】
デジタル処理装置１２２２は無線モデム１２４０に接続され、無線モデム１２４０により、デジタルカメラ付き電話１２０２は、無線周波数（ＲＦ）チャネル１２４２を介して情報を送受信することができる。無線モデム１２４０は、３ＧＳＭネットワークなどの別のＲＦリンク（図示せず）を使用して、移動電話ネットワーク１２３８と通信する。移動電話ネットワーク１２３８は、デジタルカメラ付き電話１２０２からアップロードされたデジタル画像を記憶する写真サービスプロバイダ１２４４と通信する。コンピューティングデバイス１２０４を含む他のデバイスは、インターネット１２４６を介してこれらの画像にアクセスする。本発明による一実施形態では、移動電話ネットワーク１２３８はまた、通常の電話サービスを提供するために、標準的な電話ネットワーク（図示せず）に接続する。
【００３０】
カラーディスプレイ１２３０上にグラフィカルユーザインターフェース（図示せず）が表示され、ユーザ制御部１２４８によって制御される。本発明による実施形態では、ユーザ制御部１２４８は、電話番号をダイヤルするための専用のプッシュボタン（たとえば、電話のキーパッド）と、モード（たとえば、「電話」モード、「カレンダ」モード、「カメラ」モード）を設定するための制御部と、４方向の制御（上下左右）を含むジョイスティック制御装置と、プッシュボタン式の中央の「ＯＫ」または「選択」スイッチとを含む。
【００３１】
ドック１２５０は、デジタルカメラ付き電話１２０２内の電池（図示せず）を充電する。ドック１２５０は、ドックインターフェース１２５２を介して、デジタルカメラ付き電話１２０２をコンピューティングデバイス１２０４に接続する。本発明による一実施形態では、ドックインターフェース１２５２は、ＵＳＢインターフェースなどの有線インターフェースとして実施される。別法として、本発明による他の実施形態では、ドックインターフェース１２５２は、ブルートゥースまたはＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂ無線インターフェースなどの無線インターフェースとして実施される。ドックインターフェース１２５２は、メモリ１２０６からコンピューティングデバイス１２０４へ画像をダウンロードするために使用される。ドックインターフェース１２５２はまた、コンピューティングデバイス１２０４からデジタルカメラ付き電話１２０２内のメモリ１２０６へカレンダ情報を伝送するために使用される。
【００３２】
本発明について、好ましい実施形態を参照して説明した。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者であれば変更および変形を実行できることが理解されるであろう。
【符号の説明】
【００３３】
１０  画像センサ（先行技術）、１５  基板（先行技術）、２０  画素アレイ（先行技術）、３０  複数の画素（先行技術）、４０  遮光シールド（先行技術）、５０  画素開口（先行技術）、６０  マイクロレンズ（先行技術）、７０  ポリシリコン材料、７５  画像センサ、８０  インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）材料、８５  複数の画素、９０  画素アレイ、１００  基板、１１０  透明層、１２０  ポリシリコン、１３０  ＩＴＯ、１４０  遮光シールド、１５０  開口、１６０  マイクロレンズ、１２００  撮像システム、１２０２  デジタルカメラ付き電話、１２０４  コンピューティングデバイス、１２０６  メモリ、１２０８  光学レンズ、１２１２  画素センサ、１２１４  タイミング生成器、１２１６  フラッシュ、１２１８  Ａ／Ｄ変換器回路、１２２０  バッファメモリ、１２２２  デジタル処理装置、１２２４  ファームウェアメモリ、１２２６  クロック、１２２８  ＲＡＭメモリ、１２３０  カラーディスプレイ、１２３２  音声コーデック、１２３４  マイクロフォン、１２３６  スピーカ、１２３８  移動電話ネットワーク、１２４０  無線モデム、１２４２  ＲＦチャネル、１２４４  写真サービスプロバイダ、１２４６  インターネット、１２４８  ユーザ制御部、１２５０  ドック、１２５２  ドックインターフェース。
【図１】
0005816548.tif 000002
【図２】
0005816548.tif 000003
【図３】
0005816548.tif 000004
【図４】
0005816548.tif 000005
【図５】
0005816548.tif 000006
【図６】
0005816548.tif 000007
【図７】
0005816548.tif 000008
【図８】
0005816548.tif 000009
【図９】
0005816548.tif 000010
【図１０】
0005816548.tif 000011
【図１１】
0005816548.tif 000012
【図１２】
0005816548.tif 000013
【図１３】
0005816548.tif 000014
【図１４】
0005816548.tif 000015